本實(shí)用新型涉及激光雷達(dá)裝置領(lǐng)域，尤其是一種多波長拉曼偏振激光分光系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)（Lidar: Light detection and ranging）作為一種主動(dòng)遙感探測工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象參數(shù)探測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。作為一種高新技術(shù)，激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)用性及應(yīng)用前景越來越受到廣泛的關(guān)注。

目前，針對大氣溫度廓線探測，激光雷達(dá)的主要方式有：（1）瑞利散射測溫激光雷達(dá)、（2）振動(dòng)拉曼測溫激光雷達(dá)、（3）差分吸收測溫雷達(dá)、（4）瑞利散射光譜法測溫激光雷達(dá)、（5）轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜原理的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫激光雷達(dá)等。其中，利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜探測溫度的原理主要是由于大氣分子（N₂和O₂）的產(chǎn)生的高、低量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜的譜線信號強(qiáng)度與大氣溫度之間存在著依賴性。自從Cooney1972年提出利用這種原理探測大氣溫度的原理以來，國內(nèi)外在利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)對底層大氣的溫度進(jìn)行探測方面取得了明顯的進(jìn)步，并開始逐步走向?qū)嵱谩?/p>

但是，由于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射的截面積相對于氣溶膠引起的米散射和大氣分子引起的瑞利散射截面積要小3-4個(gè)數(shù)量級，因此，高精度大氣溫度的探測一方面需要大的激光能量和望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)，另一方面需要對強(qiáng)烈的米－瑞利散射信號進(jìn)行10^-7個(gè)數(shù)量級以上的抑制，從而提取出微弱的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，這就要求轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測溫激光雷達(dá)的分光系統(tǒng)具有極高的帶外抑制能力和很高的光譜分辨能力。因此，設(shè)計(jì)具有高精度，高可靠性的分光系統(tǒng)一直是拉曼測溫激光雷達(dá)技術(shù)的核心問題。目前，拉曼激光雷達(dá)的分光系統(tǒng)依然不能很好的實(shí)現(xiàn)一方面提取出微弱的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線，一方面對強(qiáng)烈的米－瑞利散射信號進(jìn)行10^-7個(gè)數(shù)量級以上的抑制的要求。

另外，由于在針對大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)（氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)）、微物理特性（氣溶膠粒子譜）、氣溶膠偏振退偏比、大氣水汽混合比、激光雷達(dá)比等參數(shù)進(jìn)行探測時(shí)需要針對不同波長激光進(jìn)行接收分析，現(xiàn)有的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，多采用將不同波長的激光進(jìn)行分光，將分光后的各路激光分別耦合入各自對應(yīng)的光處理電路進(jìn)行接收、分析，這造成了激光雷達(dá)系統(tǒng)中的分光系統(tǒng)及光處理電路非常復(fù)雜，不但提高了雷達(dá)系統(tǒng)的成本，也提高了雷達(dá)系統(tǒng)的故障率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)選擇不同反光裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對光波信號進(jìn)行篩選的分光系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種多波長拉曼偏振激光分光系統(tǒng)，包括，

旋轉(zhuǎn)裝置，所述旋轉(zhuǎn)裝置上，以旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)軸為圓心，同心均勻設(shè)置有兩個(gè)以上的分光裝置；每個(gè)所述分光裝置用于反射指定波長的光線；

進(jìn)一步的，所述分光系統(tǒng)還包括光濾波器，所述光濾波器與分光裝置數(shù)量相同，并與所述分光裝置一一對應(yīng)設(shè)置，其用于通過對應(yīng)的分光裝置反射的指定波長光線；

進(jìn)一步的，所述分光系統(tǒng)還包括聚光透鏡，用于將光濾波器篩選過的光線聚焦并傳遞至光電探測器件。光探測器件可選擇光電倍增管或光電雪崩二極管中的一種。

進(jìn)一步的，還包括偏振裝置，所述偏振裝置設(shè)置在光濾波器與聚光透鏡之間，其與指定光濾波器配合，用于將特定波長光線偏振為水平偏振光或垂直偏振光。

進(jìn)一步的，所述偏振裝置為偏振分光棱鏡。

進(jìn)一步的，所述分光裝置為分束鏡（又稱分光鏡）。

進(jìn)一步的，所述光濾波器為干涉濾光鏡或光子晶體。

進(jìn)一步的，所述光電探測器件為光電倍增管或光電雪崩二極管。

進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)裝置中包括驅(qū)動(dòng)裝置及上位機(jī)通信連接的控制裝置，所述控制裝置自上位機(jī)接收命令，并通過驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)。

本實(shí)用新型同時(shí)提供一種多波長拉曼偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括，

脈沖激光器，用于發(fā)射指定波長激光；

準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，用于將激光準(zhǔn)直并發(fā)送至反射裝置，所述放射裝置用將激光傳遞至指定位置，并沿預(yù)設(shè)角度發(fā)射至大氣；

望遠(yuǎn)鏡，用于自大氣中接收激光信號，并將該激光信號耦合入如上所述的多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)；

處理器，用于自所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)接收光電信號并處理分析。

進(jìn)一步的，所述激光信號通過透鏡及光纖耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)；或，

所述激光信號通過透鏡及反射鏡耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)；或，

所述激光信號通過透鏡、反射鏡及光纖耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型提供的基于多波長拉曼偏振激光分光系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)，通過將一個(gè)以上的反射指定波長的反光裝置設(shè)置在一旋轉(zhuǎn)裝置上，實(shí)現(xiàn)僅利用一個(gè)光電探測器件就可以接收不同波長的激光信號，簡化了分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了分光系統(tǒng)的制作成本，同時(shí)由于減少了電子元器件，從而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型提供的分光系統(tǒng)具體實(shí)施例中的光線處理示意圖；

圖2a是本實(shí)用新型提供的分光系統(tǒng)具體實(shí)施例中分光裝置在旋轉(zhuǎn)裝置上分布示意圖；

圖2b是本實(shí)用新型提供的分光系統(tǒng)另一實(shí)施例中分光裝置在旋轉(zhuǎn)裝置上分布示意圖；

圖2c是本實(shí)用新型提供的分光系統(tǒng)又一實(shí)施例中分光裝置在旋轉(zhuǎn)裝置上分布示意圖；

圖3是本實(shí)用新型提供的多波長拉曼偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)具體實(shí)施例原理圖；

附圖標(biāo)記：1-脈沖激光器；2-準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)；3-望遠(yuǎn)鏡；4-分光系統(tǒng)；41-旋轉(zhuǎn)裝置；42-分光裝置；43-光濾波器；44-聚光透鏡；45-光電探測器件；46-反射鏡；47-偏振裝置（第一偏振裝置或第二偏振裝置）；5-處理器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本實(shí)用新型上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本實(shí)用新型內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本實(shí)用新型的范圍。

實(shí)施例1：如圖1所示，本實(shí)施例提供一種多波長拉曼偏振激光分光系統(tǒng)4，包括，

旋轉(zhuǎn)裝置41，所述旋轉(zhuǎn)裝置41中包括驅(qū)動(dòng)裝置及上位機(jī)通信連接的控制裝置，所述控制裝置自上位機(jī)接收命令，并通過驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置41旋轉(zhuǎn)。

以旋轉(zhuǎn)裝置41的轉(zhuǎn)軸為圓心，同心均勻設(shè)置有兩個(gè)以上的分光裝置42；每個(gè)所述分光裝置42用于反射指定波長的光線；本實(shí)施例中，所述分光裝置42為分束鏡，且設(shè)置有六個(gè)，分別為第一分束鏡、第二分束鏡、第三分束鏡、第四分束鏡、第五分束鏡、第六分束鏡、第七分束鏡、第八分束鏡；其分別用于反射波長為1064nm、532nm、532nm、355nm、530.6nm、528.8nm、660nm、607nm的光線。

光濾波器43，所述光濾波器43與分光裝置42數(shù)量相同，并與所述分光裝置42一一對應(yīng)設(shè)置（即，第一光濾波器與第一分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第二光濾波器與第二分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第三光濾波器與第三分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第四光濾波器與第四分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第五光濾波器與第五分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第六光濾波器與第六分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第七光濾波器與第七分束鏡對應(yīng)設(shè)置、第八光濾波器與第八分束鏡對應(yīng)設(shè)置），所述光濾波器43可選擇與對應(yīng)的分光裝置42直接固定連接或者間接固定連接（間接固定連接只兩者之前存在一定間隙，但兩者相對位置固定設(shè)置）；其用于接收對應(yīng)的分光裝置42反射的指定波長光線并進(jìn)一步對其進(jìn)行過濾；本實(shí)施例中所述光濾波器43選用干涉濾光鏡或光子晶體，應(yīng)注意的是，一個(gè)光濾波器43中，可以包含一個(gè)以上的干涉濾光鏡或光子晶體，在同一光濾波器43中的干涉濾光鏡或光子晶體的中心波長相同。當(dāng)光濾波器43中的干涉濾光鏡或光子晶體數(shù)量為2個(gè)以上時(shí)，可以更加有效地提高光濾波器43對指定波長光的濾波效果。圖1僅用于對光線路徑進(jìn)行示意，其并未顯示所有可視的分光裝置42及光濾波器43，而是僅顯示了部分分光裝置42及光濾波器43。

聚焦透鏡44，用于將光濾波器43篩選過的光線聚焦并傳遞至光電探測器件45。

使用時(shí)，光線可透過一光纖或反射鏡46或以透鏡傳至分光裝置42，如圖1所示，本實(shí)施例中，所述待測試光線為通過一反射鏡46反射至分光裝置42處，控制器向選裝裝置中的控制裝置發(fā)送控制指令，將指定的分光裝置42旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊位置，如，當(dāng)需要接收1064nm波長的光線時(shí)，將第一分束鏡旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊位置，此時(shí)光線自反射鏡46反射至第一分束鏡，第一分束鏡將1064nm波長光線反射至第一光濾波器，經(jīng)過第一光濾波器濾波后，光線經(jīng)聚焦透鏡44準(zhǔn)直，傳遞至光電探測器件45處；而當(dāng)需要接收607nm波長的光線時(shí)，將第八分束鏡旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊位置，第八分束鏡將傳自反射鏡46的光線中的607nm波長的光線經(jīng)第八光濾波器濾波照射至聚焦透鏡44，傳遞至光電探測器件45處。

具體的，所示旋轉(zhuǎn)裝置41可以是如圖2a（圖2a可以認(rèn)為是圖1的俯視圖或仰視圖）所示的圓盤，也可以是如圖2b、圖2c所示的可以旋轉(zhuǎn)的支撐體或圓環(huán)；兩個(gè)以上的分光裝置42可根據(jù)旋轉(zhuǎn)裝置41結(jié)構(gòu)的不同，選擇設(shè)置在旋轉(zhuǎn)裝置41的不同位置上，如當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置41為圓盤時(shí)，兩個(gè)以上的分光裝置42可以設(shè)置在圓盤的下表面或上表面；而當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置41為圖2b所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，分光裝置42可以設(shè)置在旋轉(zhuǎn)裝置41支撐桿端頭；當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置41為如圖2c所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，分光裝置42可設(shè)置在圓環(huán)下端或上端；同樣的道理，不管旋轉(zhuǎn)裝置41的具體結(jié)構(gòu)如何，只要兩個(gè)以上的分光裝置42可以同心設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的。

進(jìn)一步的，由于需要同時(shí)利用532nm的激光光線的米散射水平偏振信號和垂直偏振信號進(jìn)行反演偏振退偏比，因此本實(shí)施例中，第二分束鏡、第三分束鏡為相同的分束鏡，其同樣用于將532nm光線反射至對應(yīng)的光濾波器43，不同點(diǎn)在于，在第二分束鏡對應(yīng)的第二光濾波器另一側(cè)以及對第三分束鏡對應(yīng)的第三光濾波器另一側(cè)均設(shè)置有一偏振裝置，其中，在第二分束鏡對應(yīng)的第二光濾波器另一側(cè)設(shè)置有第一偏振裝置，第三分束鏡對應(yīng)的第三光濾波器另一側(cè)設(shè)置有第二偏振裝置，所述第一偏振裝置用于將經(jīng)過第二光濾波器的532nm光信號偏振為水平偏振光；同樣的，所述第二偏振裝置用于將經(jīng)過第三光濾波器的532nm光信號偏振為垂直偏振光；這樣，在設(shè)置有第一偏振裝置的第二分束鏡、第二光濾波器組合旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊位置時(shí)，所述光電探測器件45接收到的是532nm光信號的水平偏振信號（532nm(P)）；而當(dāng)設(shè)置有第二偏振裝置的第三分束鏡、第三光濾波器組合旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊位置是，所述光電探測器件45接收到的是532nm光信號的垂直偏振信號（532nm(S)）。

本實(shí)施例中，第一分束鏡、第二分束鏡及第三分束鏡分別反射的1064nm、532nm（P）、532nm（S）、355nm為三個(gè)波長光信號為米散射信號，即，第一分束鏡、第一光濾波器組合、第二分束鏡、第二光濾波器、第一偏振裝置組合、第三分束鏡、第三光濾波器、第二偏振裝置組合及第四分束鏡、第四光濾波器組合分別與聚焦透鏡44對齊時(shí)，光電探測器件45接收到的信號是用于反演氣溶膠粒子譜； 其中，兩個(gè)532nm（P）、532nm（S）波長信號分別為米散射的水平和垂直偏振信號，用于反演偏振退偏比；而第五分束鏡、第六光濾波器組合對準(zhǔn)聚焦透鏡44時(shí)，光電探測器件45接收到的530.6nm波長光信號為氮?dú)狻⒀鯕獾霓D(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射低量子數(shù)信號；第六分束鏡、第六光濾波器組合對齊聚焦透鏡44時(shí)，光電探測器件45接收到的528.8nm波長光信號為氮?dú)?、氧氣的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼高量子數(shù)信號，其與轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射低量子數(shù)信號相比后，可以反演大氣溫度廓線；而第七分束鏡、第七光濾波器組合對準(zhǔn)聚焦透鏡44時(shí)，光電探測器件45接收到的660nm波長光信號為水汽的振動(dòng)拉曼散射，可用于反演大氣水汽混合比；第八分束鏡、第八光濾波器組合對齊聚焦透鏡44時(shí)，光電探測器件45接收到的607nm波長光信號為氮?dú)獾恼駝?dòng)拉曼信號，可以用于反演激光雷達(dá)比。因此，本系統(tǒng)可以用于同步探測大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)（氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)）、微物理特性（氣溶膠粒子譜）、氣溶膠偏振退偏比、大氣溫度、大氣水汽混合比、激光雷達(dá)比等參數(shù)。

應(yīng)注意的是，本實(shí)施例中，反射鏡46、聚焦透鏡44及光電探測器件45的位置相對固定，通過將反射特定波長的分光裝置42旋轉(zhuǎn)至與聚焦透鏡44對齊的位置實(shí)現(xiàn)對不同波長光線的接收，但是在另外一些實(shí)施例中，也可以選擇將光接收裝置（如望遠(yuǎn)鏡3）聚焦透鏡44及光電探測器件45旋轉(zhuǎn)（或移動(dòng)），而將可以反射特定波長的分光裝置42位置相對固定的方式實(shí)現(xiàn)同樣的功能，該實(shí)施方式應(yīng)被認(rèn)為是本實(shí)用新型的變形。

實(shí)施例2：如圖3所示，本實(shí)施例提供一種多波長拉曼偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括，

脈沖激光器1，用于發(fā)射指定波長激光；

準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2，用于將激光準(zhǔn)直并發(fā)送至反射裝置，所述放射裝置用將激光傳遞至指定位置，并沿預(yù)設(shè)角度發(fā)射至大氣；

望遠(yuǎn)鏡3，用于自大氣中接收激光信號，并將該激光信號耦合入如實(shí)施例1所述的多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)4；

處理器5，用于自所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)4接收光電信號并處理分析。

進(jìn)一步的，所述激光信號通過透鏡及光纖耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)4；或，

所述激光信號通過透鏡及反射鏡46耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)4；或，

所述激光信號通過透鏡、反射鏡46及光纖耦合入所述多波長拉曼偏振激光雷達(dá)分光系統(tǒng)4。

本實(shí)施例中電源為高壓電源，當(dāng)光電探測器件45為光電倍增管（PMT photomultiplier tube）時(shí)，高壓電源為其提供負(fù)高壓，供壓范圍為500V-1200V，當(dāng)光電探測器件45為光電雪崩二極管（APD）時(shí)，所述電源為其提供正高壓，高壓范圍為180V-280V。光電倍增管輸出的微電流信號經(jīng)過高增益、低噪聲、高輸入阻抗、低輸出阻抗的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，由處理器5進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。